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基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的应用进展

Owais等通过基于超声数据的3D打印技术打印出患者个体化的二尖瓣环,更好地评估了术前二尖瓣环几何构造、大小及形状。Mahmood等根据经食管超声心动图获取二尖瓣的动态影像学数据,通过3D打印技术打印出二尖瓣收缩期及舒张期的实体模型,证实超声图像可以作为瓣膜3D打印的数据源,应用3D打印正常、缺血性及附带黏液瘤的二尖瓣均可行。

Muraru等研究也证明基于三维超声的数据可以打印患者个体化三尖瓣。Witschey等提出基于超声数据的3D打印技术打印出二尖瓣模型可以实现二尖瓣成形术术前操作演练,从而制定合理的手术方案。基于超声数据的3D打印技术除有利于瓣膜手术术前演练、制定手术方案等方面,在术后并发症发生及严重度的预估方面也占有优势。Olivieri等应用基于超声数据的3D打印技术打印出主动脉瓣瓣周漏的模型,为选择下一步诊疗方案提供了参考。

3)先天性心脏病

先天性心脏病主要包括简单型和复杂型两种类型。对于简单型先天性心脏病(如房间隔缺损、室间隔缺损及动脉导管未闭),目前大多由传统的手术治疗改为介入治疗,但对于多发、形态不规则的缺损,在选择合适的封堵方案上存在困难,需要更详细直观的影像学评估。对于复杂型先天性心脏病(如法洛四联症、大动脉转位及右室双出口等),因其空间结构复杂,即便结合多种影像学检查,仍存在漏、误诊等情况。而基于超声的3D打印模型不仅可以帮助手术医师选择合适的装置及手术路径,还可以提高手术效率、降低辐射暴露及手术并发症的发生,进而改善手术治疗效果。临床证实基于超声数据的3D打印先天性心脏病模型不仅安全、有效,还可以实现数据个体化。

梅丹娥等发现基于超声数据进行3D打印的房间隔缺损模型与术中封堵器型号相关性高,证实基于经食管超声心动图可以作为3D打印的数据源。Olivieri等应用经胸超声心动图获得8例室间隔缺损患者的超声图像并进行分析建模,展现了基于超声数据的3D打印模型可以精准地反映室间隔缺损的解剖结构。Zhu等应用经胸超声心动图数据成功打印了心内膜垫缺损2例、房间隔缺损2例、法洛四联症1例及室间隔缺损1例的3D模型,通过模型可以清晰显示心脏病变结构,与术中所见一致。

对于多发且形态不规则的缺损和解剖结构复杂的先天性心脏病,超声单模态成像不足以提供足够的可视化信息,而结合CT、MRI等进行多模态成像可以增加重建病理结构的可能性,提高了3D模型的质量和准确性。Gosnell等选择1例定期随访的55岁男性患者作为研究对象,该患者心脏形态复杂,合并矫正型大动脉转位、室间隔缺损、肺动脉闭锁多种畸形,于婴儿期行B-T分流术,于16岁修复了左室到肺动脉的通道,在40岁时安装永久起搏器,并封堵了1.7cm的房间隔缺损,研究者结合该患者评估术后并发症的CT图像及评估瓣膜反流程度的经食管三维超声图像进行融合3D打印,精确地反映了该病例心脏畸形结构,表明多模态成像进行3D打印可行,但因样本量仅1例,在评价融合3D打印对选择手术方案的影响方面,大样本的临床随机对照试验还有待研究。

邱旭等通过结合21例多发型房间隔缺损患者的CT及三维超声图像,3D打印心脏模型并进行模拟封堵测试从而确定封堵方案,均成功行封堵治疗,术后随访1个月无明显并发症。

4.基于超声数据的3D打印技术在医患沟通与教育方面的应用

基于超声数据的3D打印模型除可以帮助临床医师模拟手术进而优化手术方案,还可以辅助临床医师进行医患沟通,同时也在医学教育方面占有重要的地位。3D打印模型的出现可以更生动立体地向患者及其家属展示这种疾病及手术方案,有利于患者及家属理解手术的过程及存在的并发症。在医学教育方面,3D打印模型增加医学生对心脏正常及异常解剖结构的理解,提高医学生的空间定位能力。

Loke等通过3D打印技术打印出法洛四联症模型对18例医学生进行授课,并与17例仅学习了二维图像的医学生进行比较,发现通过3D模型进行学习的学生对教学满意度明显增加。此外,随着获取解剖尸体难度增加,因3D打印模型不涉及伦理问题,其在解剖教学方面的应用存在巨大潜能。

5.基于超声数据的3D打印技术在心脏领域的不足与展望

三维超声发展的时间尚短,3D打印技术在心血管领域的应用也较少,基于超声数据的3D打印技术在心血管领域应用空间巨大,有待开发,打印具有生物活性的组织或结构直接应用于人体是未来的发展方向。由于心脏结构和功能的复杂性,目前只能局限于打印一些简单的结构。现阶段基于超声的3D打印技术仍存在以下局限性:①三维超声的分辨率仍有待提高,以便显示心脏更细微的结构;②心脏及其内部结构是动态的,而目前打印出的模型都是静态的;③目前打印心脏的材料大部分为硬质材料,不能精确地反映心肌组织的柔软度;④国内外缺乏大样本临床试验证明其临床可用性及安全性。

综上所述,三维超声可以为3D打印左心耳、心脏瓣膜及先天性心脏病提供数据源,基于超声数据的3D打印模型不仅可以实现模拟治疗,还可以辅助医患沟通和医学教育,其在心血管领域的进一步应用潜能尚有待开发。

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